光速不变原理

光速不变性是相对论的一条公理性假设，即光在真空中的传播速度都是一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。我们从原理分析出发，看如何得到大众看得懂，能理解的光速不变原理。

时空的科学定义及属性

时空原本是时间和空间的简称，我们将从认知过程推理来导出时间、空间的定义。时间是思维对自己生命过程的顺序和间隔感受，由于生命过程是不可逆的，且通常借助于周期现象作为工具计量，确定时间感受具有均匀性和单向性。把这种生命过程感受推广，就可以定义时间是事件发生的始、末顺序及其间隔的标注计量。

空间是思维对自身和可感知物体容身环境的大小、方位感受。可推广定义空间是物体存在、运动的场所，可用三维直角坐标系进行表达，因此空间采用距离进行计量。

人类思维的固有理解是：空间是一切皆无的容器，可以是空的，也可以是满的，时间则是游历其中的虚无沙漏，一切皆无，只有它在流动中。脱离物质后，虚无的‘存在’，在自然界是没有的，因此经典的时间和空间不是自然科学范畴的定义，而是形式科学(formal science)的定义，经典物理时期是借用了这个概念。

1.1时间、空间与物质世界的关系

作为形式科学定义的时间和空间，应该满足其学科属性，不是真实世界的客观结果，是经过思维加工形成的思想形式系统，是用作检验、观察真实世界的度量模型。

经典物理学把这种思想形式系统，借助物质世界存在的具有的周期性变化的工具作为时钟，具有规定位置间隔标记的工具作为尺子，对自然界任意分刻、定位，以及建立与研究对象关联的子系统。

这就意味着经典物理的时间和距离是永远固定的，是物理事件过程旁在的测量工具，不会参与物理事件过程，可理解为‘存在’只属于当下，过去和未来的是意识的虚拟，时间和空间在自然界是没有的，是人类智慧意识在自然界的形象映射。

1.2‘自由空间’与物理对象的区别

形式科学的时间、空间是两个完全独立的物理量，用来对事件的不同特性进行标注。

我们把形式科学定义的空间称为‘自由空间’。它的公理属性：无界、各处同性，数学表达为：U={r∈[0,+∞]}∩{[r2=x2+y2+z2]}； r为到参考点的距离，x、y、z为三维坐标参数。

时间的公理属性：没有起点，没有尽头，增量均匀、永远向前，数学表达为：

T={t∈(-∞,+∞)}∩{△t=k>0}； k为常数。

物理学研究的对象是客观‘存在’的实体，它的特性参数只能用实验获取或由其它实验实验数据导出。无论多么宏大或渺小，必定有界：U={r∈(0,+∞)}。

物理学研究的空间通常叫作真空，没有普通物质，但有电磁辐射，典型环境是充满宇宙微波背景辐射的光幕空间。可以理解为，物理真空是一个附着于‘自由空间’内的子系统，从‘自由空间’到真空是从意识形式的虚无到电磁能量空间体的客观‘存在（实在）’。

物理真空的电磁特性

客观‘存在’的物理真空是可检测的，天文观测和物理实验已检测确定宇宙空间大小直径为930亿光年，是具有黑体辐射谱的微波背景辐射，辐射温度近于2.7K，波长0.3厘米－75厘米波段。

2.1真空的电磁极化特性

目前所有实验测量的真空电磁极化有如下特性：①没有介电极化的饱和现象，也没有磁化饱和现象；②传播的电磁场能量没有上限。

早期认为电磁传播是以一种叫以太的特殊真空物质传播，可以想象任何具有物质特性的介质都会有电极化的饱和现象和磁化饱和现象，且有能量传播上限，超过上限值后，传播的波动能量会因介质结构缺损发生畸变，如机械波在流体中的空化想象，固体介质甚至被直接断裂。而真空传播的的光没有强度上限，多路超强激光在真空聚焦后的传播无异常反应，且没有介质损耗，这就说明真空中的电磁传播是没有物质介质的。

2.2真空电磁特性的运动效应

我们设想图所示的实验：在匀速运动和旋转加速参考系统(要保证器件不发生外力变形)中分别放置一对以真空作为介质的平板电容器和电感线圈，在相互运动的参考系中，测量其电容量和电感量的变化关系。

图2.1 平板电容器和电感线圈匀速和旋转加速运动示意图

设定电容器和电感线圈中的真空介质与静止参照系S同步，当电容器的上下极板，电感线圈的导体绕线与运动参照系S’一起以速度v向右运动或以ω旋转运动，就造成了真空介质也以v的速度流过其内部或被离心分离，由于介质边界条件的变化，会引起介电常数ε0，磁导率μ0的边界响应，单位时间内通过其内部的介质流量决定其电容量、电感量的变化量。设电容器、电感线圈的运动截面积都为A，介质流量用Q表示，运动中两个测试器件内外介质交换量Q=A，ρ是介质密度，由于真空介质的特殊性，ρ=0，所以无论运动速度多大，测试器件内外介质交换量Q=0，ε0，μ0的运动边界响应增量为0。可以理解为器件内外除了光之外什么物质都没有再怎么交换没有还是没有。

还可以在器件内加上光介质，实验检测结果是无论所加的照射光强度如何变化，都检测不到ε0，μ0与无光照对比的任何变化，这也进一步说明真空没有极化饱和现象，真空中光传播也不依赖其它光，而是独立的。可以做两列激光的交叉碰撞试验，两列激光交叉点后的传播，检测不到任何变化。

对上述实验环境的结果可以得出结论为，任何一个运动的真空子系统，与外部的真空环境系统的之间，真空特性等价，真空电磁特性与参考系的运动状态无关，真空介质的介电常数ε0，磁导率μ0为一个与运动状态无关的恒定值。

2.3‘真实空间’的维度结构

我们把由宇宙微波背景辐射和各种物质热辐射叠加的光幕能量体叫作‘真实空间’，这种光幕能量体称为‘空间光’。电磁波的形态结构就决定了‘真实空间’的结构，电磁波是由变化的电场产生变化的磁场，再由变化的磁场产生变化的电场，不断衍生交替出现和消失，扩散传播的能量波。图2.2是一列理想的铅面(竖直)偏振光的电磁波形示意图，可以清楚的看出它的电场方向，磁场方向，传播方向三者互相垂直。‘真实空间’光是由大爆炸能量扩散和众多物质热辐射产生，随机的均

图2.2 电磁波的形态结构

匀分布在所有方向，但由三维光子单元随机组合的‘真实空间’仍是三维。由于所有的光子单元都是运动的能量之玄，运动的基本属性参量距离和时间也就成了‘真实空间’的基本参量，因此‘真实空间’就必定包含一个隐藏的时间维度，因为真空环境下从来没有静止的光，一旦失去‘时间’，所有的光就因静止而湮灭，失去‘空间光’幕，空间将变得虚无，电磁能量的‘真实空间’不存在了，‘真实空间’是时间和空间的客观组合体。

2.4光速不变性原理

安培从麦克斯韦方程组出发，可以推导出真空的光速表达式，光速由于真空介电常数ε0= 8. 854187817 × 10-12 F(法拉)/ m，磁导率μ0=4π×10-7牛顿/，为一个与运动状态无关的恒定值，则真空光也与观察者运动状态无关，速恒定为：C=299792458 m/s。

这就用物理推理证明了光速的不变性原理。从实验观测的角度出发的迈克尔逊-莫雷实验等，以及大量的天文观测实验结果，也都表明真空光速是一个与观测者运动状态无关的恒定值。

‘真实空间’的物理规律

‘真实空间’是包含一个时间维度，三个距离维度组成的客观电磁场能量空间体，也可称为四维时空间，时间是这个空间系统的一部分，是这个系统中的运动参与者，这个自然界直接客观展示出‘存在’属于当下，也属于过去和未来，具有连续性，是与经典物理借用的意识虚拟的时间和空间不完全相同的‘时空’，距离和时间都作为变量参与运算。

3.1相对论时空变换

物理定律数学

从①光速不变原理，②相对性原理——一切在所有惯性系中的形式不变，两条公理出发，就可以得到爱因斯坦的狭义相对论时空变换方程：

静止参考系S到运动参考系S’的洛仑兹变换，或反向变换。只要理解了是光速不变性原理，狭义相对论就非常好理解了，洛仑兹变换的推导过程，可参阅物理教科书。